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轉(zhuǎn)自：Darthusian 如涉版權(quán)請加編輯微信iwish89聯(lián)系 哲學(xué)園鳴謝 “想象一種語言就像想象一種形式的生命?！?/span> --- 路德維希.維特根斯坦，《哲學(xué)研究》 當(dāng)今世界人們使用大約6,800種不同的語言。不是每個(gè)詞都能在不同的語言之間完美地翻譯，意義有時(shí)會落入語義的裂縫。例如，日語詞wabi-sabi（侘寂，或殘缺之美）沒有對應(yīng)的英語單詞；同理還有德語詞 Waldeinsamkeit（在樹林里獨(dú)處之孤寂感）。 不同的科學(xué)領(lǐng)域也是語言，科學(xué)解釋有時(shí)只是翻譯。例如，“紅色”是“620-750納米波長”的翻譯?！皽囟取笔恰耙唤M粒子的平均速度”的翻譯。翻譯越復(fù)雜，其賦予的意義越多 ?！耙Α笔侵浮皶r(shí)空的幾何”。 那么生命呢？我們一看到生物就知道什么是生命。達(dá)爾文的理論甚至解釋了一種生命形式是如何演化成另一種形式的。但是，知更鳥和巖石之間的區(qū)別到底是什么？兩者不是都服從同樣的物理規(guī)律嗎？換句話說，用物理學(xué)的語言如何翻譯“生命”？有些人認(rèn)為，這個(gè)詞是不可譯的。但也許它只是需要正確的譯者，例如Jeremy England，34歲的麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授。 兩種太陽能機(jī)器：樹和太陽能電池板都能吸收和轉(zhuǎn)換太陽能，并將熱量釋放到周圍的環(huán)境中。物理學(xué)家如何解釋為什么只有樹是生命體呢? Jeremy England創(chuàng)立了一種稱為“耗散適應(yīng)”的新理論，據(jù)稱有助于解釋復(fù)雜的、類生命的功能如何能夠從簡單、甚至無生命的物質(zhì)中自組織和涌現(xiàn)。這一理論為England贏得了一個(gè)不受歡迎的綽號：下一個(gè)達(dá)爾文。 “我認(rèn)為觀察分子是如何實(shí)現(xiàn)功能是非常奇妙的，”Jeremy說。我們來看看DNA聚合酶。在生物學(xué)里，其功能是將核苷酸組合成新的DNA分子，而核苷酸是由堿基、糖和磷酸組成的?！爱?dāng)你了解這個(gè)過程時(shí)，會覺得一切似乎都很有意義，參與者似乎正在合力實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)?！盓ngland說?！叭欢@些東西與無機(jī)物幾乎沒什么區(qū)別。你把它們打碎成更小的片段看看，它們只會旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)。 England在哈佛大學(xué)讀本科時(shí)，與生物物理學(xué)家Eugen Shakhnovich合作研究蛋白質(zhì)折疊。每個(gè)蛋白質(zhì)由相同的20個(gè)氨基酸組成。然而，一旦被折疊成形，每個(gè)蛋白質(zhì)就開始執(zhí)行生命所需的特定功能?！鞍被岵粫o你寫十四行詩，”英格蘭說?！暗钱?dāng)你把幾百個(gè)字符串在一起，突然你就得到了一臺似乎有特定的目的的機(jī)器。 維特根斯坦認(rèn)為，一個(gè)詞的含義取決于它的上下文，上下文由使用它的人決定。 這些茫然轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪，不知何故就出現(xiàn)了目的。單個(gè)組件看起來都服從基本的物理學(xué)規(guī)律，但合在一起后就產(chǎn)生了功能。在物理世界里，似乎沒有功能這種東西：時(shí)間和空間就是時(shí)間和空間，不是為了任何明確的理由而存在。而在生物學(xué)中，系統(tǒng)是為行動(dòng)而生的， 它們會移動(dòng)、催化和合成?！肮δ堋睂⑸c非生命區(qū)分開來；這個(gè)單詞是只被我們用來形容有生命之物，還是有其他的內(nèi)涵？England在2014年瑞典的卡羅林斯卡學(xué)院的演講中告訴聽眾，物理學(xué)沒有區(qū)分生命與非生命， 但生物學(xué)卻有區(qū)分。 在獲得博士后，England是普林斯頓大學(xué)的研究員，他有時(shí)會開車到紐約去找學(xué)哲學(xué)的發(fā)小玩。朋友會把England帶到熟悉的下東區(qū)，與他長時(shí)間的談?wù)撜軐W(xué)家路德維?！ぞS特根斯坦。 維特根斯坦在挪威的森林中獨(dú)自生活過一段時(shí)間——所謂的Waldeinsamkeit，在這里他研究了所謂的“語言游戲”，即一套關(guān)于溝通的公約。一些哲學(xué)家認(rèn)為，一個(gè)詞的含義系于外部世界的實(shí)體。然而，維特根斯坦認(rèn)為，一個(gè)詞的意義取決于由使用者決定的的上下文。玩語言游戲就像用密碼說話 ——如果對話的兩個(gè)人都非常了解他們所參與的活動(dòng)場景，他們可以用更少、更簡單的單詞來交流。不同群體的人——音樂家、政治家、科學(xué)家——都早玩符合各自需求的語言游戲。新的語言游戲不斷涌現(xiàn)。意義在變遷，詞語隨之變遷。 “維特根斯坦的這一想法我在其他地方也有發(fā)現(xiàn)，例如希伯來圣經(jīng)的開篇，”England說。 “起初，神創(chuàng)造天地...” 這里，希伯來詞的“創(chuàng)造” 是bara、“天” 是shamayim 、“地” 是aretz；但它們的真正意義，England說，只有在下文的語境里才最終浮現(xiàn)。例如，bara或創(chuàng)造，是給事物命名的過程；創(chuàng)世就是創(chuàng)造一種語言游戲?！吧裾f，要有光，就有了光?！鄙裢ㄟ^說出光的名字創(chuàng)造了光?！拔覀儗@句話太熟悉了，以至于當(dāng)我們真正開始思考這句話的時(shí)候，很容易忽略它最簡單的含義，”England說。“我們這樣稱呼光，才有了讓我們看見這個(gè)世界的光?！?England認(rèn)為，如果你想用物理語言來描述生物學(xué)，這是非常重要的一點(diǎn)。 作為麻省理工學(xué)院的年輕教員，England 既不想停止研究生物學(xué)，也不打算放棄思考理論物理學(xué)。“這兩件事使用的語言完全不同，如果你兩個(gè)都不想放棄，你就必須得去翻譯?！?England說。 在猶太傳統(tǒng)中，“奇跡”不一定是違背自然規(guī)律的。奇跡沒有那么宏偉——相反，奇跡是一種以前被認(rèn)為是不可想象的現(xiàn)象。見證奇跡者需要重新定義之前的假設(shè)來化解矛盾，他們必須開始用新的角度審視這個(gè)世界。 對于精通統(tǒng)計(jì)力學(xué)的物理學(xué)家來說，生命就是這樣一個(gè)奇跡。熱力學(xué)第二定律表明，對于封閉系統(tǒng)——如箱中的氣體或整個(gè)宇宙——混亂度會隨時(shí)間增加。雪會融化成一灘水，但一灘水不會自發(fā)的變成雪花的形狀。如果你真的看到一灘水變成了雪花，你肯定以為你正在看一場電影的回放，如同時(shí)間倒流一樣。在熱力學(xué)第二定律下，大量粒子的群體行為具有不可逆性，所以我們才會有“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”這樣的詞匯。 時(shí)間的箭頭總是指向無序的方向。然而，生命的箭頭卻指向相反的方向。簡單無聊的種子成長為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的花，從無生命的地球中生長出茂密的叢林。為什么掌控著“生命”原子的規(guī)則與掌控宇宙中其他原子的規(guī)則有如此巨大的差異呢？ 1944年，物理學(xué)家薛定諤在其著作《生命是什么？》(What is Life?)中試圖解釋這個(gè)問題。他意識到，箱子里的氣體是封閉系統(tǒng)，而生命體是開放系統(tǒng)。也就是說，生命體允許自身和周邊環(huán)境之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)化。生命在維持內(nèi)部秩序的同時(shí)將熱量釋放到環(huán)境中，這樣宇宙的熵整體增加了，熱力學(xué)第二定律仍然成立。 蛋白質(zhì)和酶這類物質(zhì)比我們想象的更容易出現(xiàn) 與此同時(shí)，薛定諤發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)謎團(tuán)。他認(rèn)為，產(chǎn)生時(shí)間箭頭的機(jī)制與產(chǎn)生生命之箭的機(jī)制截然不同。時(shí)間的箭頭來自大樣本的統(tǒng)計(jì)——當(dāng)你有足夠多混亂無序的原子時(shí)，無序的組合總是比有序的組合多很多，因此它們產(chǎn)生有序狀態(tài)的機(jī)會是零。但對生命而言，即使在微觀的尺度，秩序和不可逆性仍然存在，組成生命的原子數(shù)量要少得多。在這個(gè)數(shù)量級上，原子的數(shù)量不夠大，遠(yuǎn)不足在統(tǒng)計(jì)上形成如熱力學(xué)第二定律這樣的規(guī)律。例如，生命的基本組成單位、RNA和DNA的構(gòu)成單位——核苷酸，僅由30個(gè)原子組成。盡管如此，薛定諤發(fā)現(xiàn)，遺傳密碼的保存能力好得不可思議，有時(shí)能延續(xù)百萬世代，“其持久力已經(jīng)近乎奇跡”。 那么基因如何抗衰減？脆弱的分子為何不會土崩瓦解？這其中一定有比統(tǒng)計(jì)更深?yuàn)W的原理在發(fā)揮作用，使得少量的原子能夠不可逆轉(zhuǎn)的自發(fā)啟動(dòng)，成為鮮活的生命。 薛定諤之后半個(gè)世紀(jì)，英國化學(xué)家Gavin Crooks第一次用數(shù)學(xué)描述了微觀不可逆性。Crooks于1999年發(fā)布的一個(gè)公式說明，由外部能量驅(qū)動(dòng)的小型開放系統(tǒng)只要不斷耗散自身能量，就能發(fā)生不可逆的改變。 想象你站在一道柵欄前面。你想去另一邊，但柵欄太高跳不過去。一個(gè)朋友遞給你一個(gè)彈簧高蹺，你可以用它跳過去然后再跳回來。彈簧高蹺這樣的外部能量源能讓你產(chǎn)生可逆的變化。 再想象下，這次你的朋友給你一個(gè)噴氣背包而不是彈簧高蹺。你點(diǎn)燃噴氣背包越過柵欄。當(dāng)你越過柵欄時(shí)，噴氣背包將消耗燃料并將能量釋放到周圍的空氣里，因此當(dāng)你著陸時(shí)，你的噴氣背包已沒有足夠的能量讓你越過柵欄回到原地。你只能留在柵欄的另一邊，你的變化是不可逆的。 Crooks表明，一組原子可以通過外部能量改變自身的構(gòu)造——就像跳過柵欄一樣。如果原子在變化的同時(shí)耗散能量，則變化可能是不可逆的。他們可以利用下一次能量爆發(fā)轉(zhuǎn)變回來，但有時(shí)也會轉(zhuǎn)變到一個(gè)全新的狀態(tài)，就這樣通過能量耗散進(jìn)行一步又一步的轉(zhuǎn)變。能量耗散不能確保不可逆性，但不可逆性一定有能量耗散。 Crooks的結(jié)論具有普適性，適用于任何離開平衡態(tài)的系統(tǒng)，包括生命體。不過，England認(rèn)為，“對于大而雜亂、有大量能量耗散的多體系統(tǒng)而言，結(jié)論可能需要更加謹(jǐn)慎。結(jié)論似乎沒錯(cuò)，但計(jì)算上可能很難操作?！?2013年在加州理工學(xué)院演講期間，England在酒店房間里不斷演算Crooks的公式。從Crooks公式可以推導(dǎo)出，要獲得生命標(biāo)志性的不可逆性，系統(tǒng)必須有特別好的吸熱和散熱能力。但England知道事實(shí)不止于此。 “這就像一直在原點(diǎn)附近打轉(zhuǎn)，”他說。“有時(shí)候我把問題放下去睡覺，就能想到不同的東西。當(dāng)你回來的時(shí)候，會發(fā)現(xiàn)墻上多了一個(gè)缺口?！?br> England終于想到了答案。在能量源一定的情況下，原子的一些特定排列能比其他排列更好的吸收和消耗能量，因此更容易完成不可逆的轉(zhuǎn)變。隨著時(shí)間流逝，如果一些系統(tǒng)變得特別適合這一過程，這一系列不可逆的轉(zhuǎn)變就會變成一種獨(dú)立運(yùn)作的合成作用。England動(dòng)筆寫下一個(gè)考慮了系統(tǒng)的耗散歷史的熱力學(xué)第二定律推廣式，他認(rèn)為這解釋了生命結(jié)構(gòu)和功能的起源。在去年年底的一篇文章中，他這樣解釋道：
當(dāng)然，原子系統(tǒng)并不是有目的性的——它只是盲目、隨機(jī)的不斷調(diào)整。在從一種形態(tài)變化到另一種形態(tài)的過程中原子系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列的化學(xué)變化并最終自發(fā)組織成某種形態(tài)，這看起來就是“適應(yīng)”。維特根斯坦說：“語言是一座路徑的迷宮。”對England來說，這次的翻譯似乎是正確的。在物理學(xué)的語言中，“生命”是什么？England稱之為“耗散適應(yīng)”。 盡管耗散適應(yīng)讓我們聽起來像一座座太陽的冷卻塔，但這一理論的內(nèi)涵遠(yuǎn)不止于此。達(dá)爾文式自然選擇變成了廣義的耗散適應(yīng)現(xiàn)象的一個(gè)特例，如同一種語言中的方言。耗散適應(yīng)發(fā)生在微觀尺度上，自然選擇則發(fā)生在宏觀世界的自我復(fù)制器中，而自我復(fù)制是消耗和耗散能量的絕佳方式。在耗散適應(yīng)的語言中，“適應(yīng)度”(fitness)一詞有了新的意義。Northeastern大學(xué)物理學(xué)助理教授Meni Wanunu認(rèn)為：“在耗散適應(yīng)中，適應(yīng)度并不是根據(jù)一系列最優(yōu)功能來定義的，而是系統(tǒng)與環(huán)境中可用能量的”給予和接受“關(guān)系。系統(tǒng)消耗能量并沿著不可逆的方向漂移，因之而變得“特殊”，但并非是完美或理想的形態(tài)?！傍B類并不是飛行的最佳選擇，”England說，“但就飛行而言，鳥類比石頭或蠕蟲強(qiáng)多了。” 這一理論使我們不得不重新思考使生命變得如此特別的那些不尋常的功能。在不借助外界強(qiáng)力作用的前提下，復(fù)雜的功能從相互間只有微弱作用的粒子集合中涌現(xiàn)，這一過程現(xiàn)在可以分解成由外部驅(qū)動(dòng)的一系列小型不可逆變化。蛋白質(zhì)和酶這類物質(zhì)比我們想象的更容易出現(xiàn)。“我們可能并不需要從億萬個(gè)自我復(fù)制的氨基酸序列中精確的挑出候選者，” England說?！白越M織的時(shí)間尺度可能比我們想象的更快。如果我們能夠說服自己，生命的起源看起來更像一段斜坡或樓梯，大量的微小變化將其引向正確的方向，那么這至少可能完全改變我們思考生命起源場景的方向?！?br> 該理論不僅幫助我們回顧過去，還能帶來新的設(shè)計(jì)和工程學(xué)方法?！叭绻皇窍肽７律w做的某件事情，而非模擬生命體本身，要做的事情可能要少很多?！币粋€(gè)可能的例子是England實(shí)驗(yàn)室正在研究的“突現(xiàn)計(jì)算”(emergent computation)，其目標(biāo)是在不接收任何設(shè)計(jì)指令的情況下，使粒子系統(tǒng)演化出預(yù)測自身環(huán)境變化的能力。畢竟在波動(dòng)的環(huán)境中良好地吸收和耗散能量需要一定程度的預(yù)測能力。England認(rèn)為：“如果我們能成功地做到這一點(diǎn)，那么意味著系統(tǒng)中的粒子以某種方式進(jìn)行了交互，能夠根據(jù)過去的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有效實(shí)施關(guān)于未來的計(jì)算。這可能會影響基于預(yù)測能力的技術(shù)，從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到預(yù)測機(jī)票價(jià)格的程序。 這就是翻譯的神奇力量。如果實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒?，將是耗散適應(yīng)理論的最好證明。Wanunu對此仍持保留態(tài)度：“England提出了一套新的想法，但還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！肮鸫髮W(xué)系統(tǒng)生物學(xué)副教授 Jeremy Gunawardena也不是完全認(rèn)同這一理論：“Jeremy希望避開化學(xué)，將生命的涌現(xiàn)完全看成一種物理必然。我并不信服。不過，我高興看到他在試圖解決這個(gè)問題，我相信我們會從中學(xué)到很多有趣的東西。” 這么說是公平的。畢竟，按照Umberto Eco的說法，“翻譯是失敗的藝術(shù)”。這次全新的翻譯是否會失敗仍未可知。最終，可能不會只有一種語言能表達(dá)生命的復(fù)雜性，England只是希望我們嘗試一種新的語言。在去年的《評論》雜志中他這樣寫道：“描述這個(gè)世界的語言不止一種，上帝希望人們掌握所有的這些語言。” 原文：http:///issue/34/adaptation/how-do-you-say-life-in-physics |
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